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第五章第五章DNA及基因组及基因组1 1TheRunners-UpTheRunners-Up基因编辑技术基因编辑技术基因编辑技术基因编辑技术CRISPRCRISPR成像技术成像技术成像技术成像技术CLARITYCLARITYHumanStemCellsfromCloningHumanStemCellsfromCloning（克隆人体胚胎干细胞）（克隆人体胚胎干细胞）（克隆人体胚胎干细胞）（克隆人体胚胎干细胞）Mini-Organs(Mini-Organs(迷你器官）迷你器官）迷你器官）迷你器官）CosmicParticleAcceleratorsIdentifiedCosmicParticleAcceleratorsIdentified（宇宙粒子加速器）（宇宙粒子加速器）（宇宙粒子加速器）（宇宙粒子加速器）PerovskiteSolarCells(PerovskiteSolarCells(钙钛矿型太阳能电池钙钛矿型太阳能电池钙钛矿型太阳能电池钙钛矿型太阳能电池)WhyWeSleepWhyWeSleep（我们为什么要睡觉）（我们为什么要睡觉）（我们为什么要睡觉）（我们为什么要睡觉）OurMicrobes,OurHealthOurMicrobes,OurHealth（我们的微生物）（我们的微生物）（我们的微生物）（我们的微生物）InVaccineDesign,LooksDoMatterInVaccineDesign,LooksDoMatter（疫苗设计）（疫苗设计）（疫苗设计）（疫苗设计）2 2BREAKTHROUGHOFTHEYEAR2013:Runnersup恐龙向鸟类进化The birth of birds年轻血液助推返老还童Young blood fixes old机器人自主合作Robots that cooperate仿人脑芯片Chips that mimic the brain印尼洞穴艺术Europes cave art has a rival治愈糖尿病的细胞Cells that might cure diabetes操控记忆Manipulating memories立方体卫星Rise of the CubeSat扩充生命遗传密码 Giving life a bigger genetic alphabet3 3BREAKTHROUGHOFTHEYEAR2014:LandingonaCometCombination therapies that help harness T cells and other Combination therapies that help harness T cells and other immune cells in the cancer fight are a key area to watch.immune cells in the cancer fight are a key area to watch.American Association for the Advancement of Science American Association for the Advancement of Science Science 2014;346:1450Science 2014;346:14505 5BREAKTHROUGHOFTHEYEAR2015:Clustered lustered Regularly egularly Interspaced nterspaced Short hort Palindromic alindromic Repeatsepeats成簇的、规律间隔的短回文重复序列成簇的、规律间隔的短回文重复序列成簇的、规律间隔的短回文重复序列成簇的、规律间隔的短回文重复序列RunnerUpRunnerUpthe year of the dwarf planetthe year of the dwarf planetKenna wake human skeletonKenna wake human skeletonthe regeneration of Psychologythe regeneration of Psychologythe discovery of new racethe discovery of new racefocused on the deep mantle flowfocused on the deep mantle flowthe successful development of the Ebola vaccine the successful development of the Ebola vaccine yeast production of opioid drugsyeast production of opioid drugs the brain has lymphatic channels the brain has lymphatic channels Baer no loopholes in the experiment to confirm the Baer no loopholes in the experiment to confirm the quantum strange characteristicsquantum strange characteristics CRISPRCRISPRCRISPRCRISPRs s s s技术是一种由技术是一种由技术是一种由技术是一种由RNARNARNARNA指导指导指导指导CasCasCasCas蛋白对靶向基因蛋白对靶向基因蛋白对靶向基因蛋白对靶向基因进行修饰的技术。进行修饰的技术。进行修饰的技术。进行修饰的技术。7基因组编辑技术可以实现三种基因组改造，即基因敲除，特异突变的引入和定点转基因基因组编辑技术可以实现三种基因组改造，即基因组编辑技术可以实现三种基因组改造，即基因基因敲除，特异突变的引入和定点转基因敲除，特异突变的引入和定点转基因基因组编辑是研究基因功能的重要手段之一，也可基因组编辑是研究基因功能的重要手段之一，也可基因组编辑是研究基因功能的重要手段之一，也可基因组编辑是研究基因功能的重要手段之一，也可被用于人类遗传性疾病的治疗，因此这类技术成为被用于人类遗传性疾病的治疗，因此这类技术成为被用于人类遗传性疾病的治疗，因此这类技术成为被用于人类遗传性疾病的治疗，因此这类技术成为现代分子生物学的研究热点现代分子生物学的研究热点现代分子生物学的研究热点现代分子生物学的研究热点8 8AreastoWatchin2016AphysicssatelliteDogevolutionGravitationalwaves一、核酸研究简史一、核酸研究简史 第一阶段：核酸的发现第一阶段：核酸的发现第二阶段：发现核酸是遗传物质第二阶段：发现核酸是遗传物质第三阶段：为分子生物学奠定基第三阶段：为分子生物学奠定基础的时期础的时期第四阶段：分子生物学高速发展时期第四阶段：分子生物学高速发展时期第一节 DNA的结构与功能9 918891889年年 R.Altman R.Altman 从动物细胞与酵母从动物细胞与酵母 菌中制备了菌中制备了核酸核酸18691869年年 F.Miescher F.Miescher 从脓细胞中得到从脓细胞中得到 核质核质“NucleinNuclein”第一阶段：核酸的发现第一阶段：核酸的发现18941894年年 A.Kossel A.Kossel 和和A.Neumann A.Neumann 从胸腺从胸腺 中提取核酸中提取核酸101019301930年年 正式提出核酸分为两大类：正式提出核酸分为两大类：核糖核酸核糖核酸（RNARNA）脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸（DNADNA）19041904年年 Hammars Hammars 证明核酸中的糖是戊糖证明核酸中的糖是戊糖.19091909年年 LeveneLevene和和JacobsJacobs鉴定核酸中的糖鉴定核酸中的糖 是是D-D-核糖核糖.19121912年年 Levene Levene 认为核酸由认为核酸由4 4种核苷酸种核苷酸 组成组成19291929年年 Levene Levene 和和Jacobs Jacobs 确定胸腺核苷酸确定胸腺核苷酸 中的糖是中的糖是2-2-脱氧脱氧-D-D-核糖核糖 1111第二阶段：发现核酸是遗传物质第二阶段：发现核酸是遗传物质 1944 1944年年 AveryAvery等揭示了等揭示了DNADNA是细菌的遗传物质是细菌的遗传物质有荚膜的光滑型肺炎球菌（有荚膜的光滑型肺炎球菌（有荚膜的光滑型肺炎球菌（有荚膜的光滑型肺炎球菌（S S型）型）型）型）致病致病致病致病无荚膜的粗糙型肺炎球菌（无荚膜的粗糙型肺炎球菌（无荚膜的粗糙型肺炎球菌（无荚膜的粗糙型肺炎球菌（R R型）型）型）型）不致病不致病不致病不致病1212 R R R R型菌型菌型菌型菌 R R R R型菌型菌型菌型菌 R R R R型菌型菌型菌型菌 +S S S S型菌型菌型菌型菌DNA DNA DNA DNA S S S S型菌型菌型菌型菌DNA DNA DNA DNA S S S S型菌型菌型菌型菌DNADNADNADNA （经蛋白酶水解）（经蛋白酶水解）（经蛋白酶水解）（经蛋白酶水解）（经核酸酶水解）（经核酸酶水解）（经核酸酶水解）（经核酸酶水解）部分克隆变为部分克隆变为部分克隆变为部分克隆变为 部分克隆变为部分克隆变为部分克隆变为部分克隆变为 不能变为不能变为不能变为不能变为 S S S S型菌型菌型菌型菌 S S S S型菌型菌型菌型菌 S S S S型菌型菌型菌型菌131319521952年年 HersheyHersheyChase Chase 通过噬菌通过噬菌体感染细菌的实体感染细菌的实验表明验表明病毒的遗病毒的遗传物质是传物质是DNADNA。14141953年年J.D.Watson和和F.Crick建立建立了了DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型 第三阶段：为分子生物学奠定基础的时期第三阶段：为分子生物学奠定基础的时期15151958年年*KornbergKornberg等发现了等发现了DNADNA聚合酶聚合酶 (DNA polymerase)(DNA polymerase)*Meselson等提出半保留复制，等提出半保留复制，阐明阐明DNA复制的机理复制的机理*Crick提出了遗传信息传递的提出了遗传信息传递的中心法则中心法则161619651965年年年年 中国科学家人工合成牛胰岛素中国科学家人工合成牛胰岛素中国科学家人工合成牛胰岛素中国科学家人工合成牛胰岛素19701970年年年年 TeminTemin等发现了从等发现了从等发现了从等发现了从RNARNADNADNA反转录现象，反转录现象，反转录现象，反转录现象，使中心法则更完善使中心法则更完善使中心法则更完善使中心法则更完善19611961年以后年以后年以后年以后JacobJacob、NirenbergNirenberg和和和和 MonodMonod等取得三个等取得三个等取得三个等取得三个有意义的进展：有意义的进展：有意义的进展：有意义的进展：1)1)证实了证实了证实了证实了mRNAmRNA携带着携带着携带着携带着DNADNA到蛋白质合成机制所到蛋白质合成机制所到蛋白质合成机制所到蛋白质合成机制所 需要的信息需要的信息需要的信息需要的信息2)2)发现了遗传密码发现了遗传密码发现了遗传密码发现了遗传密码3)3)发现了蛋白质依靠发现了蛋白质依靠发现了蛋白质依靠发现了蛋白质依靠tRNAtRNA和核糖体的帮助翻译和核糖体的帮助翻译和核糖体的帮助翻译和核糖体的帮助翻译1717遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则（centraldogma）DNADNAmRNAmRNA转录转录转录转录多肽链多肽链多肽链多肽链翻译翻译翻译翻译蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质翻译后加工翻译后加工翻译后加工翻译后加工DNADNA复制复制复制复制逆转录逆转录逆转录逆转录RNARNA复制复制复制复制1818第四阶段：分子生物学高速发展时期第四阶段：分子生物学高速发展时期1.19711.1971年年 限制性内切酶发现，限制性内切酶发现，DNADNA的的 分离成为可能分离成为可能19192.2.直读核苷酸序列方法直读核苷酸序列方法 (1975(1975年年SangerSanger发明发明)20203.DNA3.DNA体外重组技术体外重组技术 (1972(1972年年 BergBerg发明发明)212119821982年年 中国科学家人工合成酵母中国科学家人工合成酵母 丙氨酸丙氨酸tRNAtRNA19851985年年 MullisMullis建立建立PCRPCR技术技术19811981年年 T.CechT.Cech发现四膜虫发现四膜虫rRNArRNA前体的前体的 自我拼接自我拼接,称为称为ribozyme.ribozyme.2222人类科学史上的三大工程人类科学史上的三大工程 人类基因组计划人类基因组计划人类基因组计划人类基因组计划曼哈顿原子计划曼哈顿原子计划曼哈顿原子计划曼哈顿原子计划阿波罗登月计划阿波罗登月计划阿波罗登月计划阿波罗登月计划 19901990年年 美国正式启动人类基因组计划。美国正式启动人类基因组计划。(human genome project,HGP)(human genome project,HGP)232319991999年年7 7月月 中国：中国：3号染色体短臂号染色体短臂30Mb区域（区域（1%项目）项目）。2001年年8月月26日日,绘制完成绘制完成“中国卷中国卷”人类基因组计划参加国家：人类基因组计划参加国家：美、英、日、法、德、中美、英、日、法、德、中24242003年年4月月六国政府首脑联名发表六国政府首脑联名发表六国政府首脑关六国政府首脑关于完成人类基因组序列图的联合声明于完成人类基因组序列图的联合声明。252519971997年年 英国爱丁堡罗斯林研究所首次英国爱丁堡罗斯林研究所首次 育成克隆羊。育成克隆羊。2626水稻基因组（水稻基因组（Rice Genome）20012001年年年年1010月，月，月，月，中科院、科技部和国家计委联中科院、科技部和国家计委联中科院、科技部和国家计委联中科院、科技部和国家计委联合向全世界宣布，中国率先完合向全世界宣布，中国率先完合向全世界宣布，中国率先完合向全世界宣布，中国率先完成水稻（籼稻）基因组工作成水稻（籼稻）基因组工作成水稻（籼稻）基因组工作成水稻（籼稻）基因组工作“框架图框架图框架图框架图”的绘制的绘制的绘制的绘制20022002年年年年4 4月月月月5 5日，日，日，日，在在在在Science Science 杂志上以封面文章杂志上以封面文章杂志上以封面文章杂志上以封面文章的形式发表。的形式发表。的形式发表。的形式发表。2727*后基因组计划（后基因组计划（post-genome projectpost-genome project）又称为功能基因组学又称为功能基因组学 （functional genomicsfunctional genomics）*蛋白质组（蛋白质组（proteomeproteome）计划）计划 又称为蛋白质组学（又称为蛋白质组学（proteomicsproteomics）2828*随着许多新的随着许多新的RNARNA功能陆续被发现，功能陆续被发现，20002000年各国科学家提出了年各国科学家提出了RNARNA组的研究，组的研究，称为称为RNARNA组学（组学（RNomicsRNomics）*生物信息学生物信息学(bioinformatics)*系统生物学系统生物学(systemsbiology)2929二、二、DNADNA研究的临床应用研究的临床应用 1.1.疾病发病机理的研究疾病发病机理的研究 1 1）遗传性疾病遗传性疾病 基因变异或基因缺陷是疾病发生的根基因变异或基因缺陷是疾病发生的根 本原因本原因如如:镰刀状红细胞性贫血镰刀状红细胞性贫血的致病因素是由的致病因素是由 于珠蛋白第于珠蛋白第6 6位氨基酸由谷氨酸突变为位氨基酸由谷氨酸突变为 缬氨酸。缬氨酸。3030 如：如：心血管疾病心血管疾病 型高脂蛋白血症的形成主要是由于型高脂蛋白血症的形成主要是由于ApoEApoE基因中第基因中第112112位和第位和第158158位的位的G G和和C C发生变异，蛋白质肽链上原来发生变异，蛋白质肽链上原来 Arg Arg 变成变成CysCys，失去与失去与ApoEApoE受体结合的能力，使受体结合的能力，使血脂升高血脂升高31312 2）肿瘤肿瘤癌基因激活和抑癌基因激活和抑癌基因失活癌基因失活分分化受阻化受阻肿瘤细肿瘤细胞（永生型）胞（永生型）3232 2.2.疾病的基因诊断疾病的基因诊断 DNADNA诊断：诊断：*快速快速DNADNA点杂交点杂交 *限制性内切酶酶谱分析法限制性内切酶酶谱分析法 *DNADNA限制性片段长度多态性限制性片段长度多态性 分析法分析法 （RFLPRFLP）*聚合酶链反应（聚合酶链反应（PCRPCR）产前诊断、植床前诊断产前诊断、植床前诊断 3333 A B A BKb 1 2 3 1 2 3 KbKb 1 2 3 1 2 3 Kb6.7 hcs-B6.7 hcs-B5.8 hcs-A5.8 hcs-A3.8 hGH-N3.8 hGH-N3.0 hGH-V3.0 hGH-V1.2 hHG-V1.2 hHG-V25.025.021.821.817.917.914.814.8单纯性生长激素缺乏症单纯性生长激素缺乏症(IGHD)(IGHD)(isolatedgrowthhormonedeficience)图中图中 A A为为BamHIBamHI酶解片段与酶解片段与hGH cDNAhGH cDNA探针杂交放射自显影图探针杂交放射自显影图 B B为为HindIHindI酶解片段与酶解片段与hGH cDNAhGH cDNA探针杂交放射自显影图探针杂交放射自显影图 1 1 为正常人为正常人.2.2 为为IGHDIGHD患者患者.3 .3 为杂合子为杂合子DNADNA hcs hcs 为人绒毛膜促乳素为人绒毛膜促乳素.hGH.hGH 为人生长激素为人生长激素8.3 hcs-L8.3 hcs-L3434父亲父亲父亲父亲母亲母亲母亲母亲孩子孩子孩子孩子GTCGTACGTGAGTCGTACGTGACACACACACACACACACACACACACACACACACACACACAGTACGATACGTGTACGATACGTGTCGTACGTGAGTCGTACGTGACACACACACACACACACACACACACACACACACACACACAGTACGATACGTGTACGATACGTGTCGTACGTGAGTCGTACGTGACACACACACACACACACACACACACACACACACACACACACACAGTACGATACGTGTACGATACGTGTCGTACGTGAGTCGTACGTGACACACACACACACACACACACACACACACACACACAGTACGATACGTGTACGATACGTGTCGTACGTGAGTCGTACGTGACACACACACACACACACACACACACACACACACACACACAGTACGATACGTGTACGATACGTGTCGTACGTGAGTCGTACGTGACACACACACACACACACACACACACACACACACACAGTACGATACGTGTACGATACGT父亲父亲父亲父亲母亲母亲母亲母亲孩子孩子孩子孩子46bp46bp42bp42bp40bp40bp42bp42bp42bp42bp46bp46bp40bp40bp42bp42bp40bp40bpPCRPCR结果的凝胶电泳：结果的凝胶电泳：结果的凝胶电泳：结果的凝胶电泳：图：某个图：某个图：某个图：某个CA2CA2核苷酸重复的微卫星在一个家系中的核苷酸重复的微卫星在一个家系中的核苷酸重复的微卫星在一个家系中的核苷酸重复的微卫星在一个家系中的PCRPCR检测结果示意图检测结果示意图检测结果示意图检测结果示意图短串联重复短串联重复短串联重复短串联重复(short tandem repeat,STR)(short tandem repeat,STR)多态性分析多态性分析多态性分析多态性分析3535 3.3.疾病的预防与基因治疗疾病的预防与基因治疗 1 1）采用基因工程产生疫苗药物）采用基因工程产生疫苗药物 2 2）基因治疗）基因治疗3636构件分子构件分子构件分子构件分子核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸nucleotidenucleotidenucleotidenucleotide核苷核苷核苷核苷nucleosidenucleosidenucleosidenucleoside 磷酸磷酸磷酸磷酸phosphatephosphatephosphatephosphate 碱基碱基碱基碱基basesbasesbasesbases 戊糖戊糖戊糖戊糖pentosepentosepentosepentose 嘧啶嘧啶嘧啶嘧啶pyrimidinepyrimidinepyrimidinepyrimidine 嘌呤嘌呤嘌呤嘌呤purinepurinepurinepurine 核糖核糖核糖核糖riboseriboseriboseribose 脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖deoxyribosedeoxyribosedeoxyribosedeoxyribose 三、核酸三、核酸的结构的结构核酸核酸核酸核酸（多核苷酸（多核苷酸（多核苷酸（多核苷酸PolynucleotidePolynucleotidePolynucleotidePolynucleotide)（一）分子组成（一）分子组成37371.1.1.1.含氮有机碱含氮有机碱含氮有机碱含氮有机碱 （1 1 1 1）嘧啶碱：胞嘧啶）嘧啶碱：胞嘧啶）嘧啶碱：胞嘧啶）嘧啶碱：胞嘧啶C C C Cytosineytosineytosineytosine 胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶T T T Thyminehyminehyminehymine 尿嘧啶尿嘧啶尿嘧啶尿嘧啶U U U Uracilracilracilracil （2 2 2 2）嘌呤碱：腺嘌呤）嘌呤碱：腺嘌呤）嘌呤碱：腺嘌呤）嘌呤碱：腺嘌呤A A A Adeninedeninedeninedenine 鸟嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤G G G Guanineuanineuanineuanine 38383939 碱基上有修饰：碱基上有修饰：碱基上有修饰：碱基上有修饰：核苷的大写字母前加上代表修饰基团核苷的大写字母前加上代表修饰基团核苷的大写字母前加上代表修饰基团核苷的大写字母前加上代表修饰基团 的小写字母右上方写明碱基的第几位的小写字母右上方写明碱基的第几位的小写字母右上方写明碱基的第几位的小写字母右上方写明碱基的第几位mm2 2GG表示表示表示表示 2-N-2-N-甲基鸟苷甲基鸟苷甲基鸟苷甲基鸟苷 位置位置位置位置 mm3 3227227GG表示表示表示表示 N N2 2，N N2 2，7-7-三甲鸟苷三甲鸟苷三甲鸟苷三甲鸟苷 数量数量数量数量 S S4 4UU表示表示表示表示 4-4-硫代尿嘧啶硫代尿嘧啶硫代尿嘧啶硫代尿嘧啶甲基甲基甲基甲基(3)(3)稀有碱基稀有碱基稀有碱基稀有碱基4040R R苷苷苷苷41412.戊糖戊糖4242顺式腺苷顺式腺苷顺式腺苷顺式腺苷反式腺苷反式腺苷反式腺苷反式腺苷3.3.核苷：核苷：C-N C-N 糖苷键糖苷键嘌呤碱嘌呤碱嘌呤碱嘌呤碱N9N9嘧啶碱嘧啶碱嘧啶碱嘧啶碱N1N1戊糖戊糖戊糖戊糖C1C14343假尿苷假尿苷（C5C1）11OOHOCHHOCH2 2OHOHOHOH1 1NHNHC COOOO5 5HNHN44444.核苷酸核苷酸45451122334455464647475533环核苷酸环核苷酸cAMP、cGMP表示磷酸与表示磷酸与表示磷酸与表示磷酸与33、55核苷核苷核苷核苷 羟基相接羟基相接羟基相接羟基相接 4848（二）游离核苷酸的功能（二）游离核苷酸的功能ATP、GTP、UTP、CTP参于代谢参于代谢5-FU（5-氟尿嘧啶）氟尿嘧啶）抗癌药物抗癌药物6-MP（6-巯基嘌呤）巯基嘌呤）抗癌药物抗癌药物AZT抗抗AIDS病毒病毒（Azidothymidine叠氮胸苷）叠氮胸苷）cAMP、cGMP第二信使第二信使 49495-氟尿嘧啶氟尿嘧啶 FdUMP 胸苷酸合成酶胸苷酸合成酶（5-FU）dTMP合成合成氨蝶呤氨蝶呤/甲氨蝶呤甲氨蝶呤 二氢叶酸还原二氢叶酸还原酶酶抑制抑制抑制抑制竞争抑制竞争抑制竞争抑制竞争抑制抑制抑制抑制抑制结合结合结合结合胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T)(T)5-5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶氟尿嘧啶氟尿嘧啶(5-FU)(5-FU)5050次黄嘌呤次黄嘌呤次黄嘌呤次黄嘌呤(H)(H)6-6-巯基嘌呤巯基嘌呤巯基嘌呤巯基嘌呤(6-MP)(6-MP)6-巯基嘌呤的结构巯基嘌呤的结构6 65151甲酰甘氨酰甲酰甘氨酰甲酰甘氨酰甲酰甘氨酰胺核苷酸胺核苷酸胺核苷酸胺核苷酸（FGARFGAR）PRPPPRPP谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酰胺（GlnGln）=PRAPRA甘氨酰胺甘氨酰胺甘氨酰胺甘氨酰胺核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸（GARGAR）甲酰甘氨甲酰甘氨甲酰甘氨甲酰甘氨脒核苷酸脒核苷酸脒核苷酸脒核苷酸（FGAMFGAM）5-5-氨基异咪唑氨基异咪唑氨基异咪唑氨基异咪唑-4-4-甲酰胺核苷酸甲酰胺核苷酸甲酰胺核苷酸甲酰胺核苷酸（AICARAICAR）5-5-甲酰胺基咪唑甲酰胺基咪唑甲酰胺基咪唑甲酰胺基咪唑-4-4-甲酰胺核苷酸甲酰胺核苷酸甲酰胺核苷酸甲酰胺核苷酸（FAICARFAICAR）IMPIMP次黄嘌呤次黄嘌呤次黄嘌呤次黄嘌呤（H H）PRPPPRPPPPiPPi=AMPAMP=PRPPPRPPPPiPPi=腺嘌呤（腺嘌呤（腺嘌呤（腺嘌呤（A A）GMPGMP=PRPPPRPPPPiPPi鸟嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤(G)(G)6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP5252AZT5353（三）（三）DNA的一级结构的一级结构1.DNA的一级结构是指脱氧核苷酸的一级结构是指脱氧核苷酸（碱基）在（碱基）在DNA分子中的排列顺序分子中的排列顺序2.DNA分子中脱氧核苷酸的连接方式：分子中脱氧核苷酸的连接方式：3，5磷酸二酯键磷酸二酯键3.直线形直线形DNA有二个末端：有二个末端：5磷酸末端磷酸末端3羟基末端羟基末端 5454 A.分子结构式分子结构式B线条式线条式C字母式字母式55551)1)端粒端粒:真核生物真核生物染色体染色体DNADNA是线性的是线性的,每复制一次，每复制一次，子链的子链的5 5有缺失（有缺失（50-100bp50-100bp）。）。3 3端有特殊的序列端有特殊的序列,线性线性DNADNA末端的复制必须末端的复制必须的的 -端粒端粒端粒特征端粒特征:3 3端是由数百个串联重复端是由数百个串联重复G G丰富的丰富的6 6个核苷酸组成（个核苷酸组成（AGGGTTAGGGTT）n,5-10kb,n,5-10kb,高度保守高度保守人人:5:5-AGGGTTAGGGTTAGGGTT-3AGGGTT-3端粒能稳定染色体端粒能稳定染色体4.端粒（端粒（telomere）DNA结构与功能结构与功能5656n n线性线性线性线性DNADNA复复复复制的末端制的末端制的末端制的末端 5757荧光原位杂交显示端粒和端粒序列荧光原位杂交显示端粒和端粒序列荧光原位杂交显示端粒和端粒序列荧光原位杂交显示端粒和端粒序列5858 端粒端粒DNA的功能的功能a保证线性保证线性DNA的完整复制的完整复制b维持染色体的稳定维持染色体的稳定c决定细胞的寿命决定细胞的寿命59592 2）端粒酶（）端粒酶（telomerasetelomerase)-)-防止端粒缩短的酶防止端粒缩短的酶组成组成 蛋白质蛋白质(DNADNADNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶)+RNA(+RNA(合成端粒合成端粒DNADNA的模板的模板)唯一携带唯一携带RNARNA模板的逆转录酶模板的逆转录酶人端粒酶人端粒酶:模板模板(RNA-(RNA-端粒酶端粒酶):3):3-CAAUCCCAAUC-5-CAAUCCCAAUC-5 合成合成(DNA):5(DNA):5-AGGGTTAGGGTT-3-36060正常体细胞缺乏端粒酶活性，故染色体随细胞正常体细胞缺乏端粒酶活性，故染色体随细胞正常体细胞缺乏端粒酶活性，故染色体随细胞正常体细胞缺乏端粒酶活性，故染色体随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。分裂而变短，细胞随之衰老。分裂而变短，细胞随之衰老。分裂而变短，细胞随之衰老。人的生殖细胞，部分干细胞染色体，肿瘤细胞人的生殖细胞，部分干细胞染色体，肿瘤细胞人的生殖细胞，部分干细胞染色体，肿瘤细胞人的生殖细胞，部分干细胞染色体，肿瘤细胞和永生细胞系具有端粒酶活性。和永生细胞系具有端粒酶活性。和永生细胞系具有端粒酶活性。和永生细胞系具有端粒酶活性。端粒酶和衰老、肿瘤有关：端粒酶和衰老、肿瘤有关：端粒酶和衰老、肿瘤有关：端粒酶和衰老、肿瘤有关：61612009诺贝尔生理学或医学奖-端粒酶（telomerase）Elizabeth Blackburn Elizabeth Blackburn UCSF UCSFJack SzostakJack SzostakHHMI HHMI Carol GreiderCarol GreiderJHUJHU6262DNADNA末端末端末端末端1.RNA1.RNA和和和和DNADNA单链单链单链单链互补序列识别结合互补序列识别结合互补序列识别结合互补序列识别结合2.2.以以以以RNARNA为模板为模板为模板为模板 的逆转录过程的逆转录过程的逆转录过程的逆转录过程3.3.再发动新一轮的合成延长再发动新一轮的合成延长再发动新一轮的合成延长再发动新一轮的合成延长,合成较长的重复序列合成较长的重复序列合成较长的重复序列合成较长的重复序列3 3）端粒酶的作用机制）端粒酶的作用机制）端粒酶的作用机制）端粒酶的作用机制63634.4.以延长的以延长的以延长的以延长的DNADNA单链为模板单链为模板单链为模板单链为模板,3-OH3-OH为引物合成富含为引物合成富含为引物合成富含为引物合成富含C C的的的的互补链互补链互补链互补链64645.5.哺乳动物中端粒末端形成大的环状结构哺乳动物中端粒末端形成大的环状结构哺乳动物中端粒末端形成大的环状结构哺乳动物中端粒末端形成大的环状结构,环状环状环状环状DNA+DNA+蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质保护染色体保护染色体保护染色体保护染色体33端的稳定端的稳定端的稳定端的稳定 端粒的环状结构端粒的环状结构端粒的环状结构端粒的环状结构65651)DNA分子十分巨大，最小的分子十分巨大，最小的DNA分子分子也包含有几千也包含有几千bp，分子量在，分子量在106以上。以上。人类基因组含有约人类基因组含有约3.1647109bp。5.DNA的一级结构特点的一级结构特点666667672)每一每一物种物种DNA都具有其特有的碱基都具有其特有的碱基组成组成3)有些碱基常被甲基修饰，称为甲基有些碱基常被甲基修饰，称为甲基化化(methylation)，是重要的表观遗传，是重要的表观遗传修饰。修饰。6868(1)细菌细菌DNA甲基化甲基化各种细菌都具有一定的甲基化模式，各种细菌都具有一定的甲基化模式，在在DNA分子中平均分子中平均1%的碱基被甲的碱基被甲基化。基化。甲基化最多的是腺嘌呤和甲基化最多的是腺嘌呤和胞嘧啶胞嘧啶6969细菌细菌DNA甲基化作用的生物学意义甲基化作用的生物学意义a.影响影响DNA的构象的构象,影响蛋白质与影响蛋白质与DNA的的相互作用相互作用,以调节以调节DNA复制、转录、修复制、转录、修复、重组和包装的过程。复、重组和包装的过程。如：发生在如：发生在-GATC-的腺嘌呤，于的腺嘌呤，于DNA复制产生的错误碱基修复中起作用复制产生的错误碱基修复中起作用b.多发生于内切酶酶切位点，防止噬菌体多发生于内切酶酶切位点，防止噬菌体入侵，是一种细菌自身保护机制。入侵，是一种细菌自身保护机制。7070(2)真核细胞的真核细胞的DNA甲基化甲基化胞嘧啶胞嘧啶甲基化最多甲基化最多约约5%,生成为生成为5-甲基胞嘧啶，大多发生在甲基胞嘧啶，大多发生在CpG重复序列中。重复序列中。可逆可逆反应过程反应过程甲基化酶与去甲基化酶成对存在，都对甲基化酶与去甲基化酶成对存在，都对CpG序列有特异性序列有特异性7171CpG岛岛多种基因的启动子区和第一外显子（多种基因的启动子区和第一外显子（60）富）富含含CpG，称为，称为CpG岛。岛。长约长约1-2kb，通常为非甲基化状态，通常为非甲基化状态。在人类基因组内，存在有近在人类基因组内，存在有近3万个万个CpG岛；岛；散在的散在的CpG则多为甲基化的。则多为甲基化的。DNA甲基化通常抑制基因表达，与人类甲基化通常抑制基因表达，与人类发育和肿瘤疾病关系密切。发育和肿瘤疾病关系密切。7272 6.DNA的一级结构的测定的一级结构的测定1)双脱氧末端双脱氧末端终止法终止法Sanger法法2)化学法化学法Maxan-Gilbert法法7373SangerSanger双脱氧末端双脱氧末端双脱氧末端双脱氧末端 终止法测序的基本原理终止法测序的基本原理终止法测序的基本原理终止法测序的基本原理7474Maxan-GilbertMaxan-Gilbert化学法测序基本原理化学法测序基本原理化学法测序基本原理化学法测序基本原理7575DNADNA自动序列测定的基本原理自动序列测定的基本原理自动序列测定的基本原理自动序列测定的基本原理7676第一步：加入复制终止剂第一步：加入复制终止剂荧光检测探头荧光检测探头电电泳泳，看看谁谁跑跑得得快快7777第二步：荧光检测7878DNA全自动分析仪：全自动分析仪：ABI PrismABI Prism 37003700型全自动型全自动型全自动型全自动遗传分析仪遗传分析仪遗传分析仪遗传分析仪安玛西亚安玛西亚安玛西亚安玛西亚DNADNA序列分析系统型号：序列分析系统型号：序列分析系统型号：序列分析系统型号：MegaBACE 500/1000/4000MegaBACE 500/1000/4000 7979（四）（四）DNA的二级结构的二级结构 Dr.Crick Dr.Watson Dr.Crick Dr.Watson80801.DNA双螺旋结构双螺旋结构的提出的提出Watson和和Crick在在1953年提出了著年提出了著名的名的DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型。这个模。这个模型不仅解释了型不仅解释了DNA的理化性质，而的理化性质，而且将结构与功能联系起来，大大推且将结构与功能联系起来，大大推动了分子生物学的发展。动了分子生物学的发展。8181*双螺旋提出的根据双螺旋提出的根据1)DNA纤维晶体的纤维晶体的x-衍射研究衍射研究1952年年Wilkins等等2)Chargaff的碱基分析的碱基分析ATGCATGC的比值的比值不同来源不同来源DNA是不同的是不同的3)碱基和核苷酸的结晶学资料碱基和核苷酸的结晶学资料8282清晰的清晰的DNADNA X X衍射图衍射图8383DNA DNA 的的X X衍射图衍射图Maurice WilkinsMaurice Wilkins1916-20041916-2004Rosalind Elsie FranklinRosalind Elsie Franklin1920192019581958 ChargaffChargaff原则原则原则原则 （1 1 1 1）不同种生物）不同种生物）不同种生物）不同种生物DNADNADNADNA分子中的核苷酸排